UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA INDUSTRIAL
MÉTODO DE CAL – SODA: PROCESO EN CALIENTE Diseño de Procesos Industriales I
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PROCESO CAL SODADA EN CALIENTE El proceso de cal sodada en caliente es un proceso continuo en el cual el agua (1) se calienta, (2) se trata con una cantidad dada de reactivos químicos, (3) se asienta y (4) se filtra. Las sustancias químicas usadas son cal hidratada y soda ash. En lugar de comprar cal hidratada se puede comprar cal viva y se apaga antes de usarse. Cuando se requiere para la eliminación de sílice, pueden usarse también cal dolomítica hidratada y/o magnesia activada. Los precipitados formados con carbono de calcio CaCO3 e hidróxido de magnesio Mg(OH)2 que se pueden eliminar por asentamiento y filtración. El grado de ablandamiento que se puede llevar a efecto en este proceso directo cal sodada, con la cantidad usual de reactivos químicos, es a una dureza residual de menos de 25 ppm.
Diagrama de flujo de una planta de ablandamiento del agua por el proceso cal sodada en caliente y eliminacion del silce. De izquierda a derecha: (1) dosificador, (2) bomba y linea de recirculacion, (3) reactor de lecho suspendido, (4) bomba de retrolavado de filtros, (5) filtros de presion de antacita, (6) bomba de calderas. El equipo usado como se muestra en la figura, consiste de los siguientes cuatro elementos: (1) dosificador, (2) calentador primario, (3) tanque de asentamiento, (4) filtros. Ademas, se se puede usar usar un desaereador desaereador como como parte integral integral del tanque de de asentamiento asentamiento o como una unidad separada.
- Dosificadores quimicos: Dosificador cal sodada: Los dosificadores usados en el proceso cal sodada en caliente, son, invariablemente, del tipo de operacion proporcional humados equipados con un agitador mecanico continuo. Cuando se emplea cal hidratada, es practica usual mezclar la cal y la soda y alimentarlas con el mismo dosificador. Cuando se emplea cal viva (CaO), se usa un tanque separado equipado co agitador mecanico para apagar la cal, despues de lo cual se anade la cantidad indicada de sado ash y se alimentan juntos al reactor. Este tanque apagador usualmente se encuentra montado sobre el tanque alimentador, de manera que este ultimo puede llenarse por gravedad a partir del tanque superior. En ocasiones este tanque separado tambien se emplea cuando se usa cal hidratada. La cal hidratada y la soda ash reaccionan para formar sosa caustica y carbonato de calcio, los mismos resultados podrian obtenerse alimentando sosa caustica sola al agua. Esta es una idea enganosa, ya que las dos sustancias quimicas se mezclan en proporciones muy variables para el tratamiento de aguas de diferente composicion, de manera que no estarian en la proporcion correcta para que toda la soda y toda la cal formaran sosa caustica. Ca(OH)2 + Na2CO3 • ¨ CaCO3 + 2NaOH 74 partes 106 partes 100 partes 80 partes Hidróxido carbonato carbonato hidroxido calcio
de sodio
de calcio
de sodio
En el pasado, y unicamente raras veces, se usaron mezclas de soda ash y sosa caustica en lugar de soda ash y cal. Este procedimiento es mas caro que usar cal y soda ash, y tambien aumenta el total de solidos disueltos en el efluente. Por ejemplo, en la eliminacion de calcio y magnesio como bicarbonatos, la sosa caustica reaccionaria como sigue: Ca(HCO3)2 + 2NaOH • ¨ CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O bicarbonato hidroxido carbonato carbonato agua de calcio
de sodio
de calcio
de sodio
Mg(HCO3)2 + 4NaOH • ¨ Mg(OH)2 + 2Na2CO3 + 2H2O Bicarbonato hidróxido hidroxido de carbonato agua de magnesio
de sodio
magnesio de sodio
Asi que se producen, por cada equivalente de bicarbonato de calcio, un equivalente de carbonato de sodio y por cada equivalente de bicarbonato de magnesio, dos equivalentes de carbonato de sodio; cuando se usa cal en lugar de sosa caustica, no se producen constituyentes solubles como se muestra en las reacciones:
Ca(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 • ¨ 2CaCO2 + 2H2O Bicarbonato
hidroxido
de calcio
carbonato
de calcio
agua
de calcio
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 • ¨ Mg(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O Bicarbonato
hidroxido
de magnesio
hidroxido de carbonato
de calcio
agua
magnesio de calcio
Se emplean varios disenos o tipos de dosificadores para alimentar cal y soda ash a os procesos en caliente. Todos ellos deben de proveerse con un agitador mecanico para mantener la cal en suspension y el alimentador debe ser del tipo proporcional para que dosifique el reactivo en razon directa al flujo de agua, segun la demanda de las calderas. Un diseno tipo es el alimentador electroquimico de la figura.
Alimentador químico de tipo electroquímico. Este alimentador se conecta eléctricamente a un medidor de flujo en la línea de agua cruda, de manera que la dosificación es proporcional al flujo de agua cruda al tanque asentador del reactor. Puesto que las sustancias químicas deben alimentarse a la parte superior del reactor, se hace necesaria una bomba. Esta se conecta a tanque dosificador como se muestra en la figura del alimentador electroquímico, mediante una línea de recirculación que tiene como objeto prevenir la formación de depósitos en la tubería que va del tanque al reactor. Se conecta por medio de una T a cierta altura de esta tubería y se estrangula precisamente arriba del embudo de descarga mediante una válvula manual. Esta válvula se cierra de manera que la cantidad recirculada es insuficiente para interferir con el gasto máximo de sustancias químicas descargadas por el cabezal de salida del tanque dosificador. El tanque de reactivos también se provee, comúnmente, con un indicador de nivel que se conecta a una segunda polea en la unidad de control de alimentación. Otro accesorio, que
es de valor en la prevención de molestias causadas por el polvo es el eliminador de polvo, que consiste de una tubería conectada a la tapa y drenaje. Esta tubería contiene un eductor, de manera que chupa el aire que contiene polvo, eliminando este ultimo con agua a través del drenaje. Muy raramente se usan dos tanques alimentadores separados, uno para cal y otro para soda. Con agua superficial de composición muy variable, hay ciertas ventajas con este arreglo, ya que para aguas que cambian en su composición, antes de usar una carga, las proporciones de soda ash y cal, así como las cantidades que se requieren, pueden cambiarse. Por ejemplo, si solamente la dureza ha tenido un marcado aumento o ha disminuido, únicamente se requiere un aumento o disminución en la dosificación de la misma mezcla de cal y soda. Sin embargo, si además de la dureza total también varían las proporciones de dureza de no carbonato de calcio y de magnesio, habría ventaja al usar tanques alimentadores separados. · Calentador primario, condensador de purga, y desaereador: El calentador primario, como se muestra en la figura, se monta en la parte superior del reactor.
Calentador primario de tipo roció. El calentador de tipo de roció es ampliamente usado en estos procesos y prácticamente no presenta problemas de incrustación, aun con aguas duras que tienen altos contenidos de durezas de bicarbonato. Las válvulas de roció son de resortes calibrados, de manera que se obtienen buenas eficiencias en todo el rango de calibración. En el calentamiento, usualmente se emplea vapor de desperdicio y la presión más usual es de 4 a 10 lb/plg2g. El equipo usualmente se basa en una presión de trabajo de 10 lb/plg2g pero ocasionalmente se trabaja a 20. El vapor llena la parte superior del reactor arriba del nivel de agua, al se rociada el agua en este espacio se calienta, hasta de 2 a 3°C la temperatura del vapor.
A esta temperatura, se desprende el bióxido de carbono libre y cualquier cantidad de aire que el agua contenga. Estos gases (nitrógeno, oxigeno y CO2) pueden purgarse directamente a la atmosfera a través de la tubería de ventilación, o, preferiblemente, se pasan primero a través del condensador húmedo que esta a la cabeza de la tubería de ventilación. Cuando el condensador de purga se usa en estos equipos, parte del agua de compensación pasa por él recuperando así calor que de otra manera se desperdiciaría. La tubería de purga se equipa con una válvula estranguladora que se calibre de tal manera que los gases se purgan a la atmosfera desperdiciando solo una pequeñísima cantidad de vapor.
Condensador de purga de contacto directo. El calentador primario desaireara a menos de 0,3 ml/lt de oxigeno disuelto por litro. Si el agua fría estuviera saturada con aire disuelto a 50°F, esto representa, una remoción de mas del 96% del oxigeno disuelto. Para instalaciones con calderas de baja presión, que no estén equipadas con economizadores, este grado de desaeracion es por lo general suficiente. En la practica se encontrara que el contenido actual de oxigeno disuelto será entre 0,1 y 0,2 ml/lt. · Calentadores desaireadores: Para caderas de alta presión o para las equipadas con economizadores de tubos de acero, el contenido de oxigeno disuelto debe ser redujo bajo 0,005 ml/lt, usando calentadores desaireadores además del calentador primario.
Desaireador integral. Este tipo de equipo, usualmente es una parte integral del equipo de ablandamiento, pero en algunos casos, es una pieza aparte del equipo. En cualquier caso, el principio de operación es el mismo: el volumen de vapor requerido para el calentador primario, primero se burbujea a través del agua blanda en el desaireador, después de lo cual pasa al calentador primario. El agua blanda caliente que entra al desaireador esta solo unos grados debajo de la temperatura del vapor, de manera que hay poca compensación de vapor en este departamento y puesto que el contenido de oxigeno disuelto es de solo 0,1 a 0,3 ml/lt al entrar al desaireador, la presión parcial de esta traza de oxigeno en tan grande volumen de vapor es despreciable, por lo que su remoción es casi completa, siendo la cantidad residual el mínimo garantizado de 0,005 ml/lt. ·Tanques de asentamiento El diseño de los reactores para ablandamiento de cal sodada en caliente, varían de acuerdo con el grado de desaeracion requerida, de si se requiere o no desairear y calentar los condensados y de las proporciones relativas de condensado y agua de compensación que se deba manejar; y si se requiere o no eliminar la sílice. Por ejemplo, si la instalación cuenta con calderas de baja presión y no usa economizadores, el grado de desaeracion efectuado por los calentadores primarios es suficiente, no necesitándose desaireador integral. Por otra parte, si una planta utiliza calderas de alta presión con recuperadores, entonces el grado de desaeracion debe ser casi completo, y usualmente se requiere el empleo de desaireadores integrales construidos en el tanque de asentamiento o de reacción, también, cuando se manejan condensados, éstos requieren un compartimiento separado, de manera que todos los condesados se reúsan y solamente la cantidad de agua blanda necesaria para los usos de compensación se alimenta las calderas. Por otra parte, los condensados pueden requerir desaereacion completa o solamente parcial, como la que se logra con calentadores de esprea. El tanque de asentamiento de reacción en el que se efectúa el ablandamiento, es un tanque alto, vertical, construido de acero, con tapa abombada y fondo cónico invertido, montado en cuatro patas a suficiente elevación para proporcionar una presión hidrostática suficiente para la operación adecuada de los filtros. El tamaño del tanque se basa en una capacidad equivalente a aproximadamente un periodo de retención de una hora a flujo máximo, usualmente se provee de una capa de aislante externo para disminuir las perdidas de calor. Las capacidades se basan en el volumen total del efluente caliente y en la práctica americana usualmente se indican en galones por hora. Un galón de agua a 100°C pesa 8 lb.
El agua en la parte superior del reactor se alienta rociándola a través de una cámara llena de vapor. Para prevenir la formación de vacio si accidentalmente llegara a faltar el vapor, se proveen con una válvula rompedora de vacío. Las sustancias químicas se añaden al calentador de agua en la parte superior del tanque, donde rápidamente reaccionan con los constituyentes de la dureza, formando floculos grandes y fácilmente acentables. En los últimos modelos de este tipo de quipo que usan el principio de lecho suspendido y que se muestra en la siguiente figura, el agua tratada fluye hacia abajo a través del tubo central que llega casi hasta el fondo del tanque. Aquí, invierte su trayectoria subiendo y filtrándose a través de un lecho suspendido formando por lodos cuya altura se controla cuidadosamente. Se obtiene un agua comparativamente clara. De la salida del efluente, si no se requiere otra desaeracion, el agua fluye directamente a los filtros. Si se requiere una desaeracion a menos de 0,005 ppm de oxigeno disuelto, entonces el agua fluye a través de un desaireador integral o una unidad separada antes de ir a los filtros. En los tipos antiguos de reactores, en lugar del tubo interior de bajada se empleaba una sección cónica o cilíndrica, que estaba centralmente dispuesta cuyo fondo llegaba a corta distancia de la sección recta del tanque. El agua trata fluye hacia abajo entre la pared del tanque y la de la sección cilíndrica. Cuando llega al fondo de la sección cilíndrica invierte su trayectoria subiendo hasta la salida, mientras que los lodos se asientan en el tanque asentador. Todos los tanques asentadores se proveen con entradas de agua y salidas de efluente válvulas de vapor, válvulas rompedoras de vacio reguladas, niveles de control y sellos para prevenir inundaciones; termómetros, ya sea del tipo indicador o registrador; y medios mecánicos manuales o automáticos para eliminar exceso de lodos.
Ablandador de agua de proceso en caliente, tipo lecho suspendido para eliminación de sílice y ablandamiento de agua.
·Filtros: Los filtros usados en este proceso son filtros de presión, que pueden ser de tipo vertical u horizontal. El medio filtrante mas usado en estos tipos de proceso, es antracita graduada y lavada; si se usa grava medios filtrantes que se han usado son la calcita y la magnetita. Estos filtros se instalan en baterías de dos o mas unidades, de tamaño tal que cuando una se esta retrolavando la otra puede absorber la carga total del sistema. Estos filtros generalmente se retrolavan cuando la diferencia de presión en el filtro es mayor de 3 lb/plg2 y se efectúa con agua asentada del tanque de asentamiento o reactor, mediante una bomba especial de retrolavado, como se muestra en la siguiente figura.
Filtro de antracita. Unidad mostrando la construcción interior. El agua de retrolavado no se desperdicia, sino que regresa la parte superior del tanque de asentamiento o reactor a través de la línea correspondiente. Hay muchas ventajas en este método de operación, ya que si se usara agua fría se podrían formar depósitos en el filtro causando taponamientos y cementación. También, se despreciaría calor, especialmente si el retrolavado se hiciera con agua blanda que se tirara al drenaje. Este periodo de retrolavado no debe ser mayor de 6 a 8 min. Antiguamente, se instalaban sobre el sistema de distribución de retrolavado en el fondo de los filtros, entradas de vapor por las que se inyectaba este a través del medio filtrante, durante el retrolavado, para ayudar a la eliminación de acumulaciones. Esto ha sido reemplazado por los limpiadores de superficie. Los filtros como el reactor, se aíslan para evitar perdidas de calor. Además de este aislamiento, el sistema de recuperación de lavado y el hacho de que el medio filtrante nunca es grava y arena. La bomba de retrolavado y la bomba de servicio, usualmente se montan a nivel del piso para que operen con precisión hidrostática positiva. La altura requerida del agua en el tanque de asentamiento se determina de antemano a partir del numero de pies o tirante de agua que la bomba deba tener y que se especifica por la casa manufacturera, mas de 13 a 15 pies de cabeza para compensar las perdidas de presión a través del filtro y de la tubería. ·Dosis de reactivos:
Cal y soda ash: estas son las dos sustancias principales que se usan en el proceso en caliente. La cal hidratada de buena calidad contiene aproximadamente 93% de Ca(OH)2. La cal viva de buena calidad aproximadamente 90% del CaO; debe apagarse antes de usarse. La soda ash de calidad promedio contendrá 99% de Na2CO3, al hacer los cálculos supóngase una pureza de 98%. En la práctica, las dosis de reactivos se calculan a partir de estos datos y los ajustes finales e hacen de acuerdo con las determinaciones de alcalinidad al anaranjado de metilo y la fenolftaleína. Las dosis aproximadas de reactivos se calculan como sigue: Donde A = Alcalinidad como CaCO3 ppm. Mg = Dureza de magnesio como CaCO3 ppm. H = Dureza total CaCO3 ppm. Cal hidratada ( 93% Ca(OH)2 ) lb/1000 gal de agua = A + Mg / 151 Si se usa cal viva ( 90% de CaO ) lb/1000 gal de agua = A + Mg / 193 Lb/1000 gal × 0,120 = kg/m3. Soda ash ( 98% Na2CO3 ) lb/1000 gal de agua = H – A / 111 + exceso requerido ( usualmente 0,25 lb ), ver la siguiente figura, para los efectos del exceso de soda ash en la eliminación de dureza.
Efluentes de cal sodada el caliente. Lineas punteadas muestran los resultados garantizados. La linea solida, los resultados practicos. Si el agua no se tratara despues con fosfatos, como se describira luego bajo el rubro de \Tratamiento en Dos Pasos, Cal Sodada en Caliente y Fosfatos., los ajustes finales de la cantidad de reactivos se hacen de manera que la variacion de alcalinidad al anaranjado de metilo en el efluente sea de 20 a 30 ppm expresados como CaCO3, y que la alcalinidad caustica varie de 0 a . 10 ppm, expresados como CaCO3. Si la alcalinidad al anaranjado de metilo es menor de 20 ppm, la dosis de soda ash debe aumentarse; si es mayor de 30 ppm debera disminuir. Si la llamada • \alcalinidad caustica negativa. es
menor de . 10 ppm, la cantidad de cal debera aumentarse, y si esta arriba de 0 debera disminuirse. - Ablandadores para procesos en caliente; tipos y diseno: Basicamente, los ablandadores para procesos en caliente se dividen en dos tipos principales: (1) tipo de lecho suspendido, (2) tipo convencional. Ambos estan disponibles en un variado numero de disenos, dependiendo del grado de desaeracion requerido, de si se deben manejar condensados y agua de compensacion, de si se requiere o no tratamiento con fosfatos y si va incluida la eliminacion de silice. El tipo de lecho suspendido se diseno primeramente para la eliminacion de silice, ya que la filtracion a traves del lecho de lodos usa las propiedades de remocion de silice de la magnesia de una manera mas eficiente que el tipo convencional. Tambien, igual que en el proceso cal sodada en frio, hay una mejor utilizacion de los reactivos y produce un efluente mas claro. Las varias formas o disenos de cada uno de estos tipos disponibles se pueden agrupar como sigue: (1) para 100% de compensacion y reduccion del oxigeno disuelto a menos de o,3 ml/lt; (2) 100% de compensacion y desaeracion completa (menos de 0,005 ml/lt); (3) para compensacion, condensados y reduccion de oxigeno disuelto en cada uno de ellos a menos de 0,3 ml/lt; (4) para compensacion y condensados que juntos constituyen menos del 70% del agua alimentada, con desaeracion completa de ambos; (5) similar a (4) excepto porque los condensados constituyen mas del 70% del agua de las calderas. Como las operaciones de ablandamiento son las mismas para todos, unicamente se detalla para el primer grupo y los sistemas de lecho suspendido, de amplia difusion; se daran breves descripciones de los otros grupos. + Grupo (1): Este tipo de ablandador de agua por el proceso cal sodada en caliente, se usa ampliamente en el tratamiento de agua para alimentar calderas de baja presion sin economizadores de tubos de acero. Como se muestra en estas ilustraciones, el tanque de asentamiento cosiste de un cilindro alto, de acero, dispuesto verticalmente, con tapa abombada y fondo conico. En la tapa abombada se conectan la linea de agua cruda, el condensador de puga, entrada de productos quimicos, valvula rompedora de vacio, y la linea de retorno de agua de lavado de filtros. En los lados del tanque estan la entrada de vapor, una valvula de flotador para controlar el nivel del agua (que se conecta con una valvula localizada en la tuberia de agua cruda que entra al ablandador), una linea de derrame que forma un cespool, una linea a los filtros y la conexion al termometro. En la parte inferior del tanque de asentamiento hay una valvula de descarga y tuberias de muestreo. El tanque de asentamiento contiene en su inferior una parte en forma de embudo, de manera que la parte superior de el, forma la parte inferior de un compartimiento en la parte superior del tanque y la cola del embudo es el derrame que casi llega al fondo del tanque. Con referencia a la figuras, el agua cruda primero pasa a traves del medidor que tiene un contacto electrico para actuar el dosificador de sustancias quimicas. Despues del medidor
y a traves de la linea de agua cruda y de la valvula operada por el flotador, cuando el agua baja en el tanque, la valvula de flotador se abre gradualmente, y cuando el nivel de agua aumenta, la valvula se cierra, manteniendo el nivel dentro de estrechos limites. Despues de esta valvula de flotador, el agua pasa a traves del condensador. Siempre se dispone de un bypass para poder inspeccionar y limpiar el condensador. El condensador de purga recupera mucho del calor del vapor que de otra manera se perderia en la purga de los gases desprendidos a la atmosfera. En la operacion, aun con el condensador de purga, se pierde una pequenisima cantidad de vapor que se requiere para ventilar los gases al exterior (nitrogeno, CO2, oxigeno). La manera de regular esto es midiendo la temperatura del agua que pasa por el condensador antes y despues de el y ajustar la valvula de purga de manera que la diferencia en temperatura sea de 10 a 6 ‹F. El grado de desaeracion asi logrado es suficiente para reducir el oxigeno disuelto a menos de 0,3 ml/lt. A la salida del condensador el agua cruda entra al rociador que la proyecta hacia abajo a traves del espacio con vapor que llena la parte superior del tanque de asentamiento. Usualmente se emplea vapor de desperdicio para calentar y este al entrar a traves de la camara de vapor debera ser suficiente en cantidad para calentar el agua hasta cerca de 3‹F la temperatura del vapor y eliminar los gases a traves de la valvula del condensador. Si no se cuenta con suficiente vapor de desperdicio, el deficit debe cubrirse con vapor vivo a traves de valvulas reductoras de presion. Las dosis proporcionadas de reactivos quimicos entran al tanque a traves de la linea de sustancias quimicas situada en la parte superior y caen al agua cruda desaereada y caliente. La mezcla rapida de los constituyentes del agua cruda con las sustancias quimicas, provoca una reaccion rapida precipitando los constituyentes de la dureza como carbonato de calcio e hidroxido de magnesio, ablandando el agua y precipitando tanto la cal anadida como la que esta presente en el agua cruda. El agua blanda, con estos precipitados, fluye por el derrame en forma de embudo hasta llegar cerca del fondo del tanque donde emerge del tubo del derrame y se filtra en su paso ascendente a traves de los lodos suspendidos que han formado los precipitados anteriores. La altura de este lecho de lodos se mantiene dentro de ciertos limites, ya sea automatica o manualmente, por medio de valvulas de purga. El agua despues pasa al sistema colector y de alli a los filtros. Aunque se logra buen grado de asentamiento siempre es necesario filtrar el agua. Los filtros usados son del tipo de presion y la carga filtrante es de antracita, y las baterias estan de tal manera disenadas que mientras un filtro este lavandose los otros absorben el flujo total. Despues de los filtros el agua blanda va al servicio. El retrolavado de los filtros se lleva a efecto mediante una bomba que toma el agua asentada del ablandador y la descarga, despues de pasar por los filtros, de nuevo al ablandador por la linea que para este uso tiene el equipo. El retrolavado usualmente dura de 6 a 8 min. Durante este periodo, hay un gasto mayor que el normal pero debido a que es un tiempo relativamente corto, la turbidez no es suficiente para causar problemas. Este metodo evita la perdida de agua blanda en el lavado de los filtros.
+Grupo (2): Este diseno es similar al modelo 1, excepto que el comportamiento de almacenaje de agua desaereada y el desaereador se han anadido a la parte superior del tanque. El calentamiento y ablandamiento es lo mismo que el grupo (1): el agua blanda del vertedero entra al desaireador donde burbujea todo el vapor requerido para calentador primario, reduciendo el contenido de oxigeno a menos de 0,005 ml/lt. Del desaereador el agua fluye al departamento de almacenamiento de agua desaireada, luego a los filtros y de alli al servicio. +Grupos (3), (4) y (5): Cuando, ademas se deben manejar en el ablandador los condensados, primero se usan lo9s condensados y despues como compensacion, solamente la cantidad requerida para llenar las deficiencias en volumen de los compensados. Esto usualmente se lleva a efecto mediante una perdida de presion en el compensado, de manera que los condensados estan disponibles a mayor carga que el agua de compensacion. Tal perdida de presion puede obtenerse haciendo que los compensados pasen en bypass por los filtros, mientras que el agua de condensado fluya a traves de ellos. Otra razon para filtrar el agua de compensacion antes de mezclarla con los condensados, es que el agua de compensacion sin filtrar contendria carbonato de calcio e hidroxido de magnesio suspendidos. A pesar de su solubilidad, estas sustancias se disolverian, en parte, en los condensados, aumentando la dureza de la mezcla. +Grupo (3): En este diseno, los retorno9s se calientan en un calentador de rocio separado, que reduce el contenido de oxigeno a menos de 0,3 ml/lt, el agua se colecta en un compartimiento separado. El calentamiento y ablandamiento del agua de compensacion es igual que en el grupo (1). Puesto que los condensados fluyen directamente a la bomba alimentadora de calderas, y el agua de compensacion pasa por los filtros y luego a la bomba, el agua de compensacion solo se toma para suplir las deficiencias de los condensados. + Grupo (4): En este diseno se usan dos calentadores de rocio y dos desaireadores. Un calentador y un desaireador se usan para el agua de compensacion, los otros dos se usan para el condensado. Este modelo se usa cuando se requiere desaeracion completa de ambos componentes, y el condensado representa sustancialmente menos del 70% del agua de calderas. El departamento que almacena el agua de condensado desaereada se separa del agua de compensacion desaerada por medio de una placa vertical. El agua de compensacion desaireada debera pasar a traves de los filtros, siendo el efecto neto que los condensados desaereados llegan a la succion de la bomba a mayor presion que el agua de compensacion, asegurando que se usan primero los condensados y luego el agua de compensacion.
+ Grupo (5): Este es otro diseno usado para la desaeracion completa de los condensados y agua de compensacion, pero aqui lo condensados representan mas del 70% de los requerimientos de las calderas. Se usan dos calentadores de rocio, uno para los condensados y otro para el agua de compensacion, los dos flujos se mezclan y desairean en un desaireador integral. Esto se efectua permitiendo que el condensado fluya directamente el desaereador despues de pasar por su respectivo calentador, el agua de compensacion, despues de pasar por el calentador, cae en el tanque de asentamiento, donde se ablanda, despues de subir por el cilindro de toma va a los filtros y luego al deseireador, segun se necesite. Puesto que hay una perdida de carga a traves de los filtros, consecuentemente se usan primero los condensados y el agua de compensacion suple las deficiencias de las demandas de las calderas. - Eliminacion de la silice por el proceso cal sodada . magnesio en caliente: En este tipo de proceso, el equipo que mas se usa es el ablandador de lechos suspendio. En el tipo convencional de ablandador de cal sodada en caliente, los lodos que se forman por precipitacion se separan rapidamente del agua y se colectan en el fondo del ablandador del cual se purgan periodica o continuamente al drenaje. Cuando al tipo convencional se alimenta cal dolomitica y magnesia, el contenido de esta ultima, que es practicamente insoluble, se asienta rapidamente con los lodos no lograndose un prolongado e intimo contacto que es necesario para la eliminacion de la silice. Por lo que, con tipo de ablandador convencional, es necesario contar con un sistema de recirculacion de lodos para la eliminacion eficiente de la silice. El agua cruda se calienta rociandola a traves de una atmosfera de vapor en la parte superior del ablandador. Las sustancias quimicas, mas las dosis de cal dolomitica o magnesia, que se requieren, se introducen por la tuberia de sustancias quimicas y caen en la superficie del agua dentro del ablandador, donde una alta turbulencia asegura una mezcla rapida. La parte inferior de esta camara tiene la forma de un embudo de cola larga cuya salida se extiende hasta casi llegaria al fondo del ablandador. A las temperaturas alcanzadas (usualmente sobre 100 ‹C, dependiendo del vapor que se use), las reacciones del ablandamiento son muy rapidas, practicamente instantaneas, y el agua tratada mas los precipitados y la magnesia anadida, fluyen hacia abajo a traves del tubo de descarga. En el fondo del ablandador el flujo se invierte y el agua se filtra a traves de un lecho de lodos que se ha formado previamente. Este lecho se mantiene a la altura deseada durante purgas periodicas de los lodos. Se han encontrado en la practica, que una altura mayor de 6 u 8 pies no tiene efecto en el tratamiento. Todos los equipos cuentan con lineas de purga y de muestreo. Esas muestras indican la altura y consistencia del lecho suspendido y sirven como guia para mantenerlo dentro del limite. A medida que el agua suba a traves del colchon de solidos, se pone en contacto intimo con el hidroxido de magnesio de los lodos, resultando una eficiente eliminacion de silice. Ademas, el colchon de lodos ejerce una accion filtrante sobre el agua, de manera que se obtiene muy baja turbidez, usualmente de 1 a 2 ppm, raras veces pasa de 10 ppm. Igual
que en el equipo de tratamiento en frio, la linea de demarcacion entre el agua clara y el colchon de lodos, es muy clara. De la parte superior o anillo colector del reactor, el agua fluye a los filtros. La remocion de la silice por magnesia se ha descrito como un fenomeno de adsorcion, pero es mas probable que este involucrado un fenomeno quimico con la produccion de silicato de magnesio. En todo caso, se conoce que la silice puede eliminarse por magnesio; que el hidroxido de magnesio es mas activo que el oxido; que el oxido de magnesio se hidrata muy lentamente en agua fria, pero que a temperaturas cercanas al punto de ebullicion este fenomeno se incrementa notablemente; que la eliminacion de silice por el proceso en caliente es mas rapida que en el proceso en frio; y que se requiere, finalmente, un intimo y prolongado contacto entre el agua y el exceso de magnesia requerido. Puesto que la dureza de magnesio se precipita como hidroxido de magnesio en el proceso cal sodada en caliente, reducira el contenido de silice. Con aguas que contengan alta dureza de magnesio y cantidades moderadas de silice, la reduccion de esta ultima a limites tolerables puede alcanzarse sin anadir magnesio. Sin embargo, si los calculos muestran que se requiere exceso de magnesio, se puede anadir cal dolomitica o magnesia activada. En el caso de la cal dolomitica deben hacerse correcciones por el oxido de calcio. Con las aguas altas en dureza con un contenido moderado de silice, las sustancias quimicas requeridas pueden consistir de cal dolomitica + soda ash + cal. Con aguas de baja dureza y alto silice, el tratamiento es: cal dolomitica + magnesia activada + soda ash. Si se usa magnesia activada sola, sin cal dolomitica, en cualquier caso donde la dureza de magnesio sea insuficiente para reducir el silice, el tratamiento puede ser: cal hidratada + magnesia activada + soda ash. La cal dolomitica puede ser, ya sea cal dolomitica hidratada Ca(OH)2 + MgO, cuyo analisis tipico es: 62% Ca(OH)2 y 32% MgO, o puede referirse a cal dolomitica sin apagar ( CaO + MgO ), cuyo analisis tipico puede ser: 58 40%. En el ultimo caso, debe apagarse antes de alimentarse. La magnesia activada que se vende bajo nombres registrados, consiste principalmente MgO y usualmente esta en forma de polvo. Usando las curvas de la siguiente figura, se pueden estimar las cantidades de magnesio requeridas expresadas como CaCO3 ppm, para reducir los contenidos de silice a las tolerancias requeridas. De esta figura, debe sustraerse la dureza de magnesio del agua ( las cantidades inferiores son las correspondientes en MgO ). Estos valores obtenidos de las curvas, cuando se usan en calculos de ablandamiento, por el proceso en caliente, tienen un factor de seguridad. Por lo tanto en la practica la cantidad de magnesia requerida puede ser un poco menor. Por ejemplo, con agua que tenga un alto contenido de silice, 55 ppm, y 40 ppm de dureza de magnesio, la cantidad calculada de magnesia adicional de 145 ppm. En la practica, sin embargo, se encuentra que la cantidad requerida es de 124 ppm, como CaCO3.
Eliminación de sílice por magnesia en el procedimiento cal sodada en caliente, con ablandadores de lecho suspendido. · Proceso en dos pasos, cal sodada en caliente y fosfatos: En este tipo de proceso, el segundo paso se puede llevar a efecto dentro del ablandador o en un tanque de asentamiento separado, como se ilustra en la siguiente figura, en la que los principios de operación de lecho suspendido se usan en ambos tanques. La cal y la soda se adicionan al agua cruda caliente en el primer tanque de asentamiento, y e agua tratada se filtra en su movimiento ascendente en este primer tanque. Segundo, esta agua tratada y filtrada se alimenta al tanque de fosfatos. La solución de fosfato se alimenta al mismo punto en que entra el agua blanda, donde se mezcla y reacciona con la dureza residual para formar precipitados de fosfatos de calcio y magnesio. El agua tratada con fosfatos se filtra en flujo ascendente a través del colchón de lodos formado por precipitados colectados anteriormente. El agua sube al colector localizado en la parte superior del tanque. Se ha encontrado que la filtración del agua a través del colchón reduce la carga de los filtros, aumentando el ciclo de operación de los mismos. La purga de los lodos se hace manual o automáticamente. En el retrolavado de los filtros se usa agua tratada con fosfatos, la que es tomada por una bomba y regresada al tanque para reusarse. · Dosificadores de fosfatos:
Todas las formas de fosfatos de sodio – mono, di, tri y poli – son muy solubles, por lo que se dosifican en forma de solución, los dosificadores no deben equiparse con agitadores mecánicos. Cuando los fosfatos se alimentan en los procesos de tratamiento anteriormente descritos, se pueden emplear dosificadores del tipo electroquímico o bombas reciprocantes de pistón. Cuando no se usa el proceso en dos pasos cal sodada en caliente y fosfatos, sino que solamente se hace uso del primer paso y los fosfatos se alimentan a las calderas, la alimentación d los fosfatos al agua de calderas directamente, tiene el riesgo de formar espuma, depósitos en las líneas; se han hecho intentos para solucionar lo anterior alimentando los fosfatos en pequeños periodos. Si los fosfatos se añaden directamente a los domos de las calderas se evitan estos problemas, los dosificadores para este caso son bombas de pistón, ya que sirven tanto para dosificar como para alimentar los fosfatos a las calderas. · Proceso en dos pasos, cal en caliente e intercambio cationico ciclo sódico: Los antiguos tipos de zeolitas silícicas no podían usarse conjuntamente con los procesos de cal sodada en caliente, pero con el advenimiento de las resinas de alta capacidad de intercambio, se origino el tratamiento cal sodada en caliente e intercambio cationico. Debido a un gran numero de ventajas entre la cuales podemos citar la reducción de sólidos totales, reducción de alcalinidad y menores costos de operación, el proceso en dos pasos cal sodada en caliente e intercambio cationico es ampliamente usado en el ablandamiento de aguas para calderas, que anteriormente debía ablandarse con el proceso cal sodada en caliente y fosfatos.
Unidad para ablandamiento de agua para calderas y remoción de sílice por el proceso cal sodada en caliente y fosfatos. Capacidad: 100.000 gph ( 378.500 lph ) Respecto a costos de operación (1) es mas barato eliminar dureza de no carbonatos por intercambio cationico que por el uso de soda ash en el proceso cal sodada en caliente, (2)
es mas barato eliminar dureza residual de carbonatos por intercambio cationico que usando fosfatos. Respecto a la calidad de los efluentes, los dos procesos dan agua de dureza cero, prácticamente. La siguiente figura es un esquema de una planta típica de ablandamiento de agua de cal sodada en caliente e intercambio catiónico, que la constituyen un reactor de lecho suspendido, filtros de antracita, dos intercambiadores catiónico y un desaereador separado.
Diagrama de flujo de una planta de ablandamiento de agua y remoción de sílice por el proceso en dos pasos, cal en caliente e intercambio cationico. La siguiente figura es una fotografía de una planta de cal sodada en caliente e intercambio cationico, consiste en un reactor de lecho suspendido, cuatro filtros de antracita, tres intercambiadores catiónico y un desaereador externo. En el primer paso del proceso cal sodada e intercambio cationico, el agua se caliente y se trata con cal hidratada (con o sin cal dolomítica u otra fuente de magnesia si se requiere); esto reduce la dureza de carbonato a menos de 25 ppm y reduce la sílice pero no reduce la dureza de no carbonatos. El calentador primario ha eliminado el CO2, y si hay aire disuelto, ha reducido el oxigeno a 0,3 ml/lt. Una mayor desaeracion, a 0,005 ml/lt se puede llevar a efecto en (1) un desaereador integral en el reactor, (2) un desaereador separado después del intercambio cationico. Cuando se emplea un desaireador separado, puede operarse como una unidad enteramente separada, en conjunción con el calentador primario del proceso en caliente del tanque asentador, en cuyo caso todo el vapor requerido para el primer calentador primero se burbujea a través del agua blanda del intercambiador cationico y luego se pasa a través de calentador primario. En la figura anterior, el desaireador se opera como una unidad independiente, en la siguiente figura el desaireador se opera como una unidad conjunta.
El efluente clarificado del primer paso de este proceso de ablandamiento, se filtra luego por filtros de antracita, que eliminan todas las trazas de turbidez. Cuando la caída de presión en los filtros indica que se deben retrolavar, esta operación se lleva a efecto recuperando el agua de lavado, mandándola al tanque de asentamiento. El efluente de los filtros pasa luego por las unidades de intercambio cationico que remueven dureza de no carbonatos y dureza residual de carbonatos, dando un efluente de dureza prácticamente cero ( 1 a 2 ppm ). Las unidades catiónicas se operan en forma escalonada, de manera que solo una unidad por vez requiere regeneración. Durante el retrolavado, el agua de esta operación se vuelve al tanque de asentamiento. Después de que la unidad intercambiadora se trata con sal muera, empleando de esta un volumen determinado, se enjuaga y se vuelve al servicio. La salmuera usada y el agua de enjuague se tiran al drenaje debido a que no son aptos para volver a usarse. Reacciones químicas de los procesos de ablandamiento en caliente (1) Alcalinidad de calcio con cal hidratada Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O (2) Alcalinidad del magnesio con cal hidratada Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O (3) Dureza de no carbonatos con soda ash CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4 CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 + 2NaCl (4) Dureza de magnesio no cabonato con soda ash y cal hidratada MgSO4 + Na2CO3 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaC O3 + Na2SO4 MgCl2 + Na2CO3 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCO3 + 2NaCl (5) Carbonato de sodo y fosfatos mono, di y metasódicos Na2CO3 + NaH2PO4 → Na3PO4 + H2O + CO2 Na2CO3 + 2Na2HPO4 → 2Na3PO4 + H2O + CO2 Na2CO3 + NaPO3 → Na3PO4 + CO2 (6) Carbonatos y ácido fosfórico 3CaCO3 + 2H3PO4 → Ca3(PO4)2 + 3H2O + 3CO2 3MgCO3 + 2H3PO4 → Mg3(PO4)2 + 3H2O + 3CO2 3Na2CO3 + 2H3PO4 → 2Na3PO4 + 3H2O + 3CO2
(7) Carbonatos y fosfatos trisódicos 3CaCO3 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3 3MgCO3 + 2Na2PO4 → Mg3(PO4)2 + 3Na2CO3 (8) Dureza residual de carbonatos e intercambiador catiónico sódico
(9) Dureza de no carbonatos e intercambiador catiónico sódico
(10) Regeneración del intercambiador catiónico con cloruro de sodio
